碳_碳复合材料摩擦学性能及摩擦机制研究进展

碳 碳复合材料摩擦学性能及摩擦机制研究进展A dvance in R esearch on T ribo logical B ehavi o r andM echan is m of Carbon Carbon Com po sites胡志彪,李贺军,陈　强,李克智,黄荔海(西北工业大学碳 碳复合材料工程技术研究中心,西安710072)HU Zh i2b iao,L I H e2jun,CH EN Q iang,L I Ke2zh i,HUAN G L i2hai(C C Com po sites T echno logy R esearch Cen ter,N o rthw estern Po lytechn ical U n iversity,X i′an710072,Ch ina)摘要:碳 碳复合材料是一种性能优异的高温摩擦材料,作为刹车材料在航空工业已得到成功应用。

但碳 碳复合材料的摩擦磨损性能强烈地依赖于试验条件和制备工艺。

综述了各种因素对碳 碳复合材料摩擦磨损性能的影响,总结了碳 碳复合材料摩擦磨损机理,并指出了碳 碳复合材料摩擦学需进一步深入研究的问题及新的研究方向。

关键词:碳 碳复合材料;摩擦学行为;摩擦机制中图分类号:TQ332 文献标识码:A 文章编号:100124381(2004)1220059204Abstract:D ue to its excellen t tribo logical p roperties,carbon carbon com po sites w ere em p loyed as aircraft b rake m aterial1Its tribo logical behavi o r w as dram atically affected by bo th the tribo testing environm en t and the techn iques u sed fo r the p reparati on of carbon carbon com po sites1T he facto rs affecting the tribo logical p rop erties of carbon carbon w ere discu ssed1T he m echan is m s of fricti on and w ear w ere review ed1T he ex isting p rob lem and the fu tu re research directi on also w ere po in ted ou t1Key words:carbon carbon com po sites;tribo logical behavi o r;tribo logical m echan is m 与其它摩擦材料相比,碳 碳复合材料具有密度小、耐高温、比强度大、耐热冲击、耐腐蚀、吸振性好以及合适的摩擦系数和摩擦性能,是一种综合性能优异的高温摩擦材料[1]。

碳 碳复合材料已成为飞机刹车盘的首选材料[2]。

在法国,空中客车公司民航飞机的刹车系统已完全用碳 碳盘取代了钢盘;在美国,许多军用飞机均已采用碳 碳刹车盘,如F216,B21等;在中国,西北工业大学、中南工业大学和沈阳金属所等在碳 碳刹车盘的制备及其摩擦性能的研究等方面也取得了丰富的成果。

除用做刹车盘外,碳 碳复合材料也可用作滑动轴承材料[3]和内燃机活塞[4]。

碳 碳复合材料作为摩擦材料将得到更广泛的应用,因此研究碳 碳复合材料的摩擦学特性对于指导和推广碳 碳摩擦材料的应用具有十分重要的意义。

本文主要总结了国内外关于各有关因素对碳 碳复合材料摩擦磨损性能的影响和碳 碳复合材料的摩擦磨损机理的研究进展。

1　碳 碳复合材料摩擦机制 碳 碳复合材料的增强相为碳纤维,基体为热解碳,二者均为非晶态碳[5]。

但就其微观结构而言,碳纤维和热解碳属于乱层石墨结构,而与纯石墨的层状结构不同。

因此,不能用石墨晶体的层间滑移理论来解释碳 碳复合材料摩擦行为。

M u rdie等[6]通过观察磨屑的微观形貌,认为碳 碳复合材料摩擦行为与磨屑类型有关。

他发现有3种不同类型磨屑。

如图1所示[7]。

类型 :薄、光滑、明亮(在灯下)碎片薄膜。

类型 :厚、粗糙的和黑的(在灯下)粉未碎片层。

类型 :光滑、致密、明亮(在灯下),碎片薄膜。

薄的类型 碎片伴随低摩擦系数和低磨损率。

粉末状的类型 碎片伴随高摩擦系数和高磨损率。

类型 碎片也伴随低摩擦系数和低磨损率,但摩擦系数和磨损率要比类型 高。

在摩擦过程中,当碎片类型发生转变时,就伴随着摩擦系数和磨损率的改变。

但碎片的转变机制目前还不清楚。

这一理论已成功地解释了多种因素对碳 碳复合材料摩擦行为的影响。

另外一种观点认为碳 碳复合材料的摩擦行为主要受到水蒸汽和氧气的影响[8]。

水蒸汽和氧气对碳 碳复合材料都有润滑作用,但氧气的润滑效果不如水蒸汽。

若摩擦环境中缺少润滑气体,碳 碳复合材料显示出高摩擦系数和高磨损率。

即使水蒸汽含量非常低(0101%,质量分数)也显示良好的润滑效果。

这主要是由于碳原子能够与水蒸汽和氧气反应[9],反应生成的络合物对碳 碳复合材料有润滑效果。

这一点和许多其它碳材料一样,可能由于它们的结构中都含有SP 2杂化轨道[10]。

图1　磨损面形貌扫描电镜图(a )类型 ;(b )类型 ;(c )类型 ;(d )类型 和类型 的混合(箭头代表滑动方向)F ig 11　Scanning electron m icrograph s of wo rnsurface mo rpho logies(a )type ;(b )type ;(c )type ;(d ) 2 m ixed(arrow s indicate sliding directi ons )2　影响碳 碳复合材料摩擦磨损性能的因素211　碳 碳复合材料制备工艺及其结构对摩擦磨损性能的影响21111　基体类型的影响 基体的类型是影响摩擦磨损性能的一个重要因素[11]。

在二维的不同密度的碳 碳复合材料中,中等密度的碳 碳复合材料具有良好的摩擦性能,其摩擦系数较低,磨损量也比低密度和高密度的碳 碳复合材料低一个数量级。

在摩擦磨损的过程中,各种碳 碳复合材料的摩擦系数的变化情况也不尽相同。

2D p itchresin CV I 、高密度的2D PAN p itch 和中等密度2DPAN p itch 碳碳复合材料摩擦系数都发生转变,而低密度的2D PAN p itch 和2D PAN CV I 摩擦系数不发生改变。

转变前的摩擦系数为011～012,在极短的改变过程中,摩擦系数突升至015～019。

而3DPAN p itch 碳碳复合材料在高转速下其结构会被破坏,因此不适合在高转速下使用。

21112　纤维取向的影响 碳纤维取向对碳 碳复合材料摩擦磨损性能有强烈的影响。

在低转速下,当纤维平行于摩擦面时,磨损率比纤维垂直于摩擦面方向要低得多,而摩擦系数比纤维垂直于摩擦面方向要高得多;在高转速下,摩擦系数和磨损率都没有大的差别[12]。

Z 向纤维的含量增加,能提高碳 碳复合材料的热导率,降低摩擦面的温度,也会影响碳 碳复合材料的摩擦磨损性能[13]。

Z 向纤维的含量为5%时,摩擦系数为014～015;Z 向纤维的含量为15%时,摩擦系数为013～015;Z 向纤维的含量为25%时,摩擦系数为012～014。

而罗瑞盈等[14]在研究三维和二维碳 碳复合材料的摩擦性能时,得到了不同的结果:三维碳 碳复合材料摩擦系数较大,磨损率小;二维碳 碳复合材料的摩擦系数小,但磨损率较大。

21113　热处理温度的影响 热处理温度不同,碳 碳复合材料摩擦磨损性能也不同。

对于不同的增强体,热处理温度的影响也不尽相同。

针刺毡增强的碳 碳复合材料样件[15]随着热处理温度升高,摩擦系数增大,温度在2300℃时摩擦系数出现峰值,继续升高热处理温度,摩擦系数却下降;而对于短切纤维增强碳 碳复合材料[16],在2200,2500℃热处理温度下,摩擦系数不稳定,而在2700℃热处理温度下,摩擦系数曲线平稳,摩擦系数增加。

对于碳布叠层碳 碳复合材料,随着热处理温度的升高,干态平均动摩擦系数由大变小,湿态平均动摩擦系数及干态静摩擦系数由小变大[17]。

若将碳布叠层碳 碳复合材料用作刹车材料,其合适的热处理温度为2000℃[18],在此温度处理的碳 碳复合材料具有足够高的摩擦系数和低磨损率。

21114　热解碳结构的影响[19] 对于CVD热解碳,可根据其偏光下的形貌特征,分为粗糙层、光滑层、过渡结构和各向同性结构[20,21]。

它们具有不同的密度、导热系数、石墨化度、消光角、金相结构,对碳 碳复合材料性能有不同的影响。

基体为粗糙层结构的碳 碳复合材料,具有较高的石墨化程度和摩擦系数。

基体为光滑层结构的碳 碳复合材料,石墨化度低,摩擦系数低,磨损量小。

21115　表面状况的影响 碳 碳复合材料的表面状况不一样,它的摩擦磨损性能也不相同。

在相同摩擦试验条件下,表面抛光的试样比表面已经磨损的试样的摩擦系数高,磨损量也大。

而且较难预测表面已磨损的试样的摩擦行为[22,24]。

21116　结构完整性的影响 碳 碳复合材料中存在两种晶格缺陷:边缘缺陷和空洞缺陷。

晶格缺陷越少,结构越完整。

结构完整性不同,碳 碳复合材料摩擦磨损性能的稳定性不同[25]。

碳 碳复合材料的结构越完整,摩擦性能越稳定;结构不完整,其刹车副摩擦特性曲线呈马鞍形,摩擦性能不稳定。

这主要是由于结构不完整的碳 碳复合材料,其内部及表面活化点多,表面易于产生物理吸附物和化学吸附物及含氧络合物,在摩擦过程中产生高温使这些吸附物分解导致摩擦性能不稳定。

212　摩擦参数对碳 碳复合材料摩擦磨损性能的影响21211　能载的影响 在不同的能载下,碳 碳复合材料表现出不同的摩擦磨损行为[26]。

碳 碳复合材料在载荷为110M Pa 时,在初始阶段,都呈现低的摩擦系数(011～012),后摩擦系数发生改变,突升至014～015,然后再降至稳定的数值。

在载荷为214M Pa时,摩擦系数的改变都发生在初始阶段。

21212　转速的影响 转速是影响碳 碳复合材料摩擦磨损性能的重要因素[27]。

在低转速(800和1100r m in)下,摩擦系数和磨损率较小且基本保持稳定,摩擦系数为011～012;在高转速(1400r m in或更高)下,摩擦系数在摩擦过程中会发生突变,摩擦系数上升到016～017,后摩擦系数又降低到014～015。

在高转速下,磨损率也较低转速时大。